全息攝影是一種先進(jìn)的攝影技術(shù)，它能把三維物體的所有信息都記錄在二維的膠片上，當(dāng)我們再用激光照射膠片，就能復(fù)原出這個(gè)物體栩栩如生的立體像來，幾乎可以以假亂真。

怎么?難道我們這些所謂有血有肉的人，每天吃著、玩著、生活著、戀愛著，都只是幻覺?僅僅只是因?yàn)槟硞€(gè)地方有些平面人在做著這一切，而我們不過是他們的全息幻影?

從黑洞的全息

到宇宙的全息

物理學(xué)家提出“世界只是一張全息圖”的假說，可不是毫無根據(jù)地在故做驚人之談，而是在理論上有一定基礎(chǔ)的，這根據(jù)來自科學(xué)家對黑洞的研究。

黑洞是宇宙中非常古怪的一類天體，它附近的引力強(qiáng)大到足以讓光也逃脫不開。那個(gè)連光也有去無回的界線，我們就稱為黑洞的視界。黑洞的視界是一個(gè)均勻的球面，視界之內(nèi)發(fā)生什么我們是無從知道的，因?yàn)槔锩娴男畔⒉豢赡茉竭^視界透露給我們。

這樣一來，假如有一團(tuán)物質(zhì)掉進(jìn)了黑洞，這團(tuán)物質(zhì)一旦越過視界，它所攜帶的信息就丟失了，視界外面的人無從得知被黑洞吞吃掉的是烤鴨還是燒雞。而這與目前被人們廣泛證實(shí)的“信息不會丟失”的觀點(diǎn)是相沖突的。

但以色列物理學(xué)家貝肯斯坦卻提出一個(gè)假說，巧妙地把它們協(xié)調(diào)了起來。他認(rèn)為有關(guān)掉進(jìn)黑洞的物質(zhì)的信息并沒有丟失，這些信息都編碼保存在了黑洞視界上(這個(gè)視界我們是可以看到的);而且黑洞內(nèi)部所包含的信息量與其視界的表面積成正比;所以黑洞視界的表面積其實(shí)就是黑洞信息的表征。

這個(gè)假說經(jīng)過許多理論上的檢驗(yàn)，被認(rèn)為是合理的。但黑洞是三維的球體，而其視界是二維的球面，假如有關(guān)三維球體的信息能完全保存在二維的球面上，那豈不就像全息攝影一樣?但對黑洞來說，的確如此。

從黑洞的這一現(xiàn)象上獲得啟發(fā)，有科學(xué)家甚至提出，我們整個(gè)宇宙的所有信息都保存在宇宙邊界的二維球面上;所以我們這個(gè)貌似三維的世界實(shí)際上是二維全息圖的一個(gè)投影。這個(gè)邊界在哪里呢?在137億光年之外，那里的光至今還沒能抵達(dá)我們地球上呢。

從黑洞推廣到整個(gè)宇宙，這一步是不是邁得太大了?目前這還不太清楚，所以“全息宇宙理論”還只是一個(gè)假說。但有科學(xué)家在理論上已經(jīng)嚴(yán)格證明，有一種假想的五維的有界無限的時(shí)空(球面就是一個(gè)有界無限的例子，它是有界的，但你要是沿著球面行走，卻沒有盡頭，所以又是無限的)從效果上看，這個(gè)五維時(shí)空就好像畫在其4維邊界上的全息圖形。雖然五維時(shí)空遵守的物理理論與其四維邊界上遵守的物理理論完全不同(因?yàn)檫B涉及的維數(shù)都不同)，但我們根本沒法區(qū)別，一個(gè)物理過程究竟是發(fā)生在五維時(shí)空里，還是發(fā)生在四維邊界上。

空間的基本單位變大了

假如全息宇宙理論是正確的，那將又一次改變我們現(xiàn)有的時(shí)空觀念。很久以來，理論物理學(xué)家們就相信，由于量子效應(yīng)，我們這個(gè)世界的空間并不是連續(xù)的，而是有一個(gè)最小的單位，也就是說，空間從根本上說是顆粒狀的。這些空間顆粒就像電腦顯示屏上的像素一樣，不能比它們再小的了。按量子理論，長度的最小單位是普朗克長度，大約10-33厘米，這個(gè)尺寸比一個(gè)質(zhì)子的一萬億分之一還小;面積的最小單位是普朗克面積，即大約10-66平方厘米;空間的最小單位是普朗克體積，即大約10-99立方厘米。

英國物理學(xué)家霍金還推導(dǎo)出，在黑洞的視界上，4個(gè)普朗克面積存儲1比特的信息(比特是信息的最小單位，在二進(jìn)制中，每個(gè)0或1就是1比特，如二進(jìn)制數(shù)0110就是4比特)。所以，一個(gè)半徑為1厘米的黑洞，其視界上竟可以存儲大約1062比特的信息，而目前全球互聯(lián)網(wǎng)上全年的信息流量才只有1022比特呢。

普朗克長度、普朗克面積和普朗克體積，這些量是如此之小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎目前物理學(xué)家的測量能力。但假如我們這個(gè)三維世界不過是二維球面的全息投影，那會怎樣呢?一個(gè)球體的體積與半徑的三次方成正比，而其表面積只與半徑的平方成正比，當(dāng)我們都用最小單位來丈量的時(shí)候，你會發(fā)現(xiàn)球體所包含的普朗克體積的數(shù)量要遠(yuǎn)大于表面積所包含的普朗克面積的數(shù)量。

但根據(jù)我們這里全息的要求(全息照片的另一個(gè)特點(diǎn)是照片里任何一小塊都包含了整體的信息，不過本文中所說的“全息”并不包含這個(gè)特點(diǎn)。我們這里的全息只指三維的信息可以全部記錄在二維的平面上這一點(diǎn))，球體體積所包含的信息量應(yīng)該跟其表面積上包含的信息量相等。結(jié)果是，需要很多個(gè)普朗克體積才能與表面的一個(gè)普朗克面積對應(yīng)。比如，一個(gè)視界半徑為1厘米的黑洞，為了滿足全息的要求，竟然需要3×1030個(gè)普朗克體積才能對應(yīng)視界上的1個(gè)普朗克面積。根據(jù)霍剛的結(jié)論，在黑洞的邊界上，4個(gè)普朗克面積存儲1比特的信息，那么在這個(gè)黑洞內(nèi)部，則卻需要每12×1030個(gè)普朗克體積才能存儲1比特的信息。

既然在三維世界里，需要很多普朗克體積才能存儲1比特的信息，那反過來是否可以這樣說:在3維世界里普朗克體積并不是它的空間基本單位，基本單位應(yīng)該是儲存了1比特信息的那個(gè)體積，比如說需要1000個(gè)普朗克體積才能存儲1比特信息，那么1000個(gè)普朗克體積才是空間的基本單位。根據(jù)這一想法，霍剛估計(jì)了一下，假如全息理論對于整個(gè)宇宙也成立，那么我們這個(gè)世界空間的最小單位應(yīng)該大約是10-42立方厘米(存儲1比特信息至少需要這么多)，這比普朗克體積10-99立方厘米要大多了。空間體積的最小單位變了，長度的最小單位也變了，不再是普朗克長度10-33厘米，現(xiàn)在變成了10-14厘米，--這個(gè)尺寸已經(jīng)不再是人力所不可及的了。

噪聲證明

宇宙是全息的?

那么這個(gè)全息宇宙理論跟引力波探測器測量到的噪聲又有什么關(guān)系呢?讓我們先來了解一下引力波探測器是如何工作的。

引力波探測器實(shí)際上是一架非常靈敏的激光干涉儀:一束激光經(jīng)過一個(gè)半透明的分光鏡后，分成兩束，一束繼續(xù)沿原來的方向傳播，另一束則被反射到與之垂直的方向上傳播(當(dāng)然，都是在真空里)。然后經(jīng)各自的鏡子反射回來后發(fā)生干涉。假如它們經(jīng)過的距離絕對一樣長，那么干涉時(shí)就相互抵消，探測器就探測不到一個(gè)光子。但只要兩束激光經(jīng)過的距離稍有點(diǎn)不同，干涉時(shí)就不能完全抵消，于是非常敏感的探測器就可以探測到光子了。

在實(shí)驗(yàn)中，這套裝置一開始就調(diào)到兩束激光完全相消，說明它們在水平和垂直方向通過的距離完全相等。當(dāng)引力波傳來時(shí)，它總是有一定的方向，所以對于水平和垂直這兩個(gè)方向的影響會有所不同。由于引力波直接會引起空間距離的變化，所以水平和垂直方向的距離就不再完全相等了，這樣，兩束激光干涉時(shí)不能完全抵消，我們就將探測到光子信號。

前面提到，空間從普朗克長度的尺度上看是顆粒狀的，不僅如此，空間還存在大量量子漲落，假如我們縮小到普朗克長度的尺度上看，空間簡直就像沸騰的大海。漲落的幅度一般跟空間的最小尺寸相當(dāng)(因?yàn)闈q落越大，出現(xiàn)的概率就越小)，比方說空間的最小尺寸是普朗克長度，那么漲落的幅度也差不多是普朗克長度;但要是空間的最小尺寸不是普朗克長度，比它大得多呢(像現(xiàn)在全息宇宙理論所認(rèn)為的)，那么相應(yīng)的，漲落的幅度就比普朗克長度大多了。

空間漲落造成的結(jié)果是置身于其中的物體會有輕微的抖動(dòng)，就是說，物體的空間位置不那么確定了。比方說在引力波探測器上，那幾面反射鏡和分光鏡就會有輕微的抖動(dòng);但假如抖動(dòng)只有普朗克長度的尺寸，那實(shí)在是太微弱了，目前的儀器根本沒辦法探測到;可是全息宇宙理論預(yù)言的空間漲落要大得多(因?yàn)樗目臻g最小尺寸比普朗克長度要大得多)，所以它所帶來的抖動(dòng)也必然要大得多。這些大的抖動(dòng)造成兩束激光不能在任何時(shí)候都保持相消，于是就產(chǎn)生了大量隨機(jī)的噪聲。

這就是霍剛對于引力波探測器上出現(xiàn)的異常噪聲的解釋。假如這個(gè)解釋是正確的，那其意義不亞于1964年天文家發(fā)現(xiàn)的宇宙大爆炸之后遺留下來的2.73K微波背景輻射(這種輻射也表現(xiàn)為一種噪聲)。

全息宇宙理論目前還只是一個(gè)假說，沒有上升到物理定律的高度。但這個(gè)理論給物理學(xué)帶來一種全新的思維，即考慮問題把信息放在第一位。普朗克體積本來是空間的基本單位，這是按空間本身的性質(zhì)得出來的，但現(xiàn)在當(dāng)我們說“在三維世界里普朗克體積并不是它的空間基本單位，基本單位應(yīng)該是儲存了1比特信息的那個(gè)體積”時(shí)，在邏輯上就暗含了“信息第一”的思想，讓1比特的信息反過來決定空間的最小單位了。如果“信息第一”的思想是正確的，那么我們對于許多物理問題和現(xiàn)象可能都要不得不重新考慮了。如此一來，一場新的物理學(xué)革命也許就要來了。